قانون حفظ الشحنة الكهربائية - Charge conservation

ما هو قانون حفظ الشحنة؟

الشحنة هي خاصية مرتبطة بالمادة التي تنتج عنها وتتعرض لتأثيرات كهربائيةومغناطيسية. الفكرة الأساسية وراء الحفاظ على الشحنة هي الحفاظ على الشحنة الكلية للنظام. يمكننا تعريفه على أنّه:

“مبدأ الحفاظ على الشحنة هو مبدأ أنّ الشحنة الكهربائية الكلية في نظام معزول لا تتغير أبداً. الكمية الصافية من الشحنة الكهربائية، هي مقدار الشحنة الموجبة مطروحاً منها كمية الشحنة السالبة في الكون، وتكون محفوظة دائماً”.

تعريف قانون حفظ الشحنة:

قانون حفظ الشحنة، في الفيزياء، هو ثبات الشحنة الكهربائية الكلية في الكون أو في أي تفاعل كيميائي أو نووي محدد. لا تتغير الشحنة الإجمالية في أي نظام مغلق أبداً، على الأقل ضمن حدود الملاحظة الأكثر دقة. في المصطلحات الكلاسيكية، يشير هذا القانون إلى أنّ ظهور مقدار معين من الشحنة الموجبة في جزء واحد من النظام يكون دائماً مصحوباً بظهور كمية مساوية من الشحنة السالبة في مكان آخر في النظام، على سبيل المثال، عند فرك مسطرة بلاستيكية بقطعة قماش، تصبح سالبة الشحنة وتصبح قطعة القماش مشحونة بشكل إيجابي بمقدار مساوٍ.

قانون حفظ الشحنة: لا يتم إنشاء الشحنة أو إتلافها، ولكن فقط يمكن نقلها من نظام إلى آخر.

الموصلات: هي مواد تسمح للإلكترونات بالتحرك بحريّة من خلالها، مثل معظم المعادن.

شرح قانون حفظ الشحنة:

كما نعلم، النظام عبارة عن مجموعة من الأشياء وتفاعله مع الشحنات مشابه لحفظ الطاقة والزخم، لكن قانون الحفظ هذا أكثر سهولة لأنّ الشحن الصافي للجسم يعتمد على عدد الإلكترونات والبروتونات. لا يمكن أن تظهر البروتونات والإلكترون أو تختفي من العدم، يجب أن تكون الشحنة الكلية هي نفسها. هذا هو السبب في وجود نفس عدد الإلكترونات والبروتونات في الجسم.

من المعروف أن كل ذرة محايدة كهربائياً، وتحتوي على عدد من الإلكترونات يعادل عدد البروتونات في النواة. يمكن أن تحتوي الأجسام أيضاً على أي مضاعفات كاملة للشحنة الأولية، الشحنة الكهربائية موجودة في الإلكترونات والبروتونات، أصغر شحنة يمكن أن يمتلكها الجسم هي شحنة إلكترون أو بروتون واحد، بمعنى آخر( – 1.6 ×10^-19 درجة أو + 1.6 × 10^-19 درجة).

ينص قانون “حفظ الشحنة” على أن صافي شحنة النظام المعزول سيظل دائماً ثابتاً. دعونا نحاول فهمها بعمق أكبر، توجد قائمة من حالتين مثاليتين لنظام الكائنات المتعددة:

الحالة الأولى: هي أنّ كل الجسم يحتوي على شحنة محايدة صافية. لذلك في النظام بأكمله، هناك نفس عدد البروتونات والإلكترونات، لكل بروتون يوجد إلكترون لموازنته.

الحالة الثانية: هي أنّ صافي شحنة النظام التي يتم توزيعها بشكل موحد في الجسيمات. لذلك بدلاً من تركيز الشحنة السالبة في عدد قليل من الأجسام، يتم توزيع الشحنة على الجسم بالتساوي عبر نقل الإلكترون، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق نقل الإلكترونات من قطبية أعلى إلى قطبية منخفضة. يمكن أن تشارك الإلكترونات فقط في شحنات النقل، وليس البروتونات.

على الرغم من أنّ الجسيمات الأوليّة للمادة تظهر بشكل مستمر وعفوي وتختفي وتتحول إلى بعضها البعض، إلا أنّها تخضع دائماً لقيود الحفاظ على الكمية الصافية من الشحنة. عندما يتحول جسيم مشحون إلى جسيم جديد، يرث الجسيم الجديد الشحنة الدقيقة للجسيم الأصلي. عندما يظهر جسيم مشحون حيث لم يكن موجوداً من قبل، فإنّه دائماً ما يكون مصحوباً بجسيم آخر له شحنة متساوية ومعاكسة، بحيث لا يحدث أي تغير صافٍ في الشحنة. يتطلب إبادة الجسيم المشحون الإبادة المشتركة لجسيم ذو شحنة متساوية ومتعاكسة.

كيفية شحن الأجسام:

كيف يمكن جعل جسم مشحون بشحنة سالبة؟

يمكن أن يصبح الجسم المحايد مشحوناً سالباً عندما تنتقل الإلكترونات من جسم آخر. على سبيل المثال، يلامس قضيب موصل سالب الشحنة بشحنة صافية (−4e)، كرة موصل محايدة. أثناء النقل، يتحرك (2) إلكتروناً من القضيب إلى الكرة لأنّ الإلكترونات تنفصل عن بعضها البعض وتريد أن تنتشر. بعد ذلك، تبلغ شحنة القضيب الصافية (−2e) وتكون شحنة الكرة الصافية (−2e).

إجمالي الشحنة بين الجسمين هو (4e−) قبل وبعد النقل، لذلك يتم الحفاظ على الشحنة. تعيد الإلكترونات توزيعها بحيث يصبح القضيب أقل شحنة سالبة، وتصبح الكرة سالبة الشحنة.

كيف يمكن جعل جسم مشحون بشحنة موجبة؟

يمكن أن يصبح الجسم المحايد مشحوناً بشكل إيجابي عندما تنتقل الإلكترونات إلى جسم آخر. على سبيل المثال، يلامس قضيب موصل موجب الشحنة بشحنة صافية (+4e) كرة موصلة محايدة. أثناء النقل، ينتقل (2) إلكترون من الكرة المحايدة إلى القضيب لأنّ الإلكترونات تنجذب إلى الشحنة الموجبة وتريد الانتشار من الإلكترونات الأخرى. بعد ذلك، تكون شحنة القضيب الصافية (+2e) والشحنة الصافية للكرة (+2e).

الشحنة الإجمالية بين الجسمين هي (+4e) قبل النقل وبعده، لذلك يتم الاحتفاظ بالشحنة. تعيد الإلكترونات توزيعها بحيث يصبح القضيب أقل شحنة موجبة والشحنة الكروية موجبة، وتبقى البروتونات ثابتة.

الأخطاء الشائعة والمفاهيم الخاطئة:

يعتقد الناس خطأً أنّ جسماً ما يحصل على شحنة إيجابية من خلال تلقي شحنات موجبة إضافية. البروتونات لها شحنة موجبة وترتبط بالجسم، بينما يمكن نقل الإلكترونات بين الأشياء. عندما تصبح شحنة الجسم الصافية أكثر إيجابية، فإنّها تفقد الإلكترونات.

حفظ الشحنة في التفاعلات النووية:

تحدث أمثلة مهمة لقانون حفظ الشحنة الكهربائية في التفاعلات النووية مثل الاضمحلال الإشعاعي للنواة والانشطار النووي. في هذه التفاعلات تتحول النواة إلى نوع مختلف من النواة أو النوى. عادةً، عندما تخضع نواة اليورانيوم (235) للانشطار، تنقسم النواة إلى نواتين أصغر حجماً (نادراً ما يحدث الانشطار الثلاثي)، جنباً إلى جنب مع عدد قليل من النيوترونات (المتوسط هو 2.43 نيوترون لكل انشطار بواسطة نيوترون حراري) وإطلاق طاقة على شكل الحرارة وأشعة جاما. من هذه التفاعلات نجد أنّ النواة الأصلية في الانشطار:

• يحتوي (²³⁵U) على 92 بروتوناً (شحنة +92e).

• النيوترون الخارجي يعتبر محايد كهربائياً.

شظايا الانشطار:

• يحتوي (¹³⁹Ba) على (56) بروتوناً (شحنة +56e).

• يحتوي (⁹⁴Ba) على (36) بروتوناً (شحنة +36e).

نرى أنّ الشحنة الكلية تساوي (92e) قبل التفاعل وبعده، وبالتالي، يتم الحفاظ على الشحنة. من الجدير بالذكر أنّ العدد الإجمالي للنكليونات قبل وبعد التفاعل هو نفسه أيضاً.

أمثلة على قانون حفظ الشحنة:

يعني الحفاظ على الشحنة أنّه لا يمكن للمرء أن ينتج شحنات صافية. وهنا بعض الأمثلة على ذلك:

• الشحن عن طريق الحث (induction).

• أثناء التحلل الإشعاعي، يتحلل البروتون إلى بوزيترون ونيوترون، لكن لا ينتج شحنة صافية.

يمكننا القول أنّه إذا لم يكن نظامنا تحت تأثير أي شحنات أخرى، فسيستمر التوزيع الداخلي الصافي بين الشحنات بحيث تظل الشحنة الصافية للنظام كما هي أي محفوظة. بمعنى آخر، يمكننا أن نقول: لا يمكن إنشاء الشحنة أو تدميرها وهناك حفظ كامل للشحنة.